Свет умеет не только освещать. Направьте ультрафиолет на металлическую пластинку — и она начнет терять электроны, будто ее выдувает изнутри. Это явление в начале XX века сломало классическую физику и заставило ученых поверить, что свет состоит из порций.
Кто такой Александр Столетов
Александр Столетов родился 10 августа 1839 года во Владимире, в купеческой семье. Дом Столетовых дал стране сразу двух знаменитостей: старший брат Николай стал боевым генералом, героем обороны Шипки, а младший — Александр — выбрал физику.
В1860 году он окончил Московский университет, а потом уехал набираться опыта в Европу. Учился у лучших — Магнуса в Берлине, Кирхгофа в Гейдельберге, Вебера в Геттингене. Вернувшись, начал преподавать в Москве, в 1872-м защитил докторскую, а через год получил профессуру.
Главное его организационное дело — первая в России учебно-исследовательская физическая лаборатория, открытая при Московском университете в 1874 году. До этого русские физики ставили серьезные опыты в основном за границей.
К слову, докторская Столетова вошла в учебники. Он измерил, как намагничивается железо в слабых полях, и построил зависимость, которую до сих пор называют кривой Столетова. Результат оказался вполне практическим: без понимания этой кривой не спроектировать ни трансформатор, ни электродвигатель.
Умер Столетов в 1896 году, в пятьдесят шесть лет. Академиком Петербургской академии наук его так и не избрали — историю эту в отечественной науке вспоминают до сих пор.
Что такое фотоэффект
Фотоэффект — это выбивание электронов из вещества под действием света. Внешний фотоэффект, о котором чаще всего и говорят, выглядит просто: свет падает на металл, и с поверхности вылетают электроны. Открыл явление немец Генрих Герц в 1887 году, причем случайно. Он изучал электромагнитные волны и заметил, что искра между шариками разрядника проскакивает охотнее, если один из шариков подсветить ультрафиолетом.
Объяснить наблюдение Герц не смог и пошел дальше своей дорогой.
А дальше начались странности. По классической физике все выглядело логично: чем ярче свет, тем больше энергии он несет, тем быстрее должны вылетать электроны. Опыт показывал другое. Энергия вылетевших электронов от яркости вообще не зависела — ее определяла частота света. Красный луч любой мощности электроны не выбивал вовсе. Зато слабый ультрафиолет справлялся мгновенно.
Разгадку в 1905 году дал Альберт Эйнштейн. Свет, предположил он, поглощается порциями — квантами, и каждый квант либо выбивает электрон, либо нет. Энергия кванта зависит от частоты, отсюда и порог. Работа стала одним из фундаментов квантовой механики, а в 1921 году принесла Эйнштейну Нобелевскую премию. Формулировка комитета упоминала именно фотоэффект, теорию относительности она обошла стороной.
Что открыл Столетов
Между наблюдением Герца и объяснением Эйнштейна лежат опыты Столетова. Взялся он за тему в феврале 1888 года и за два года выпустил шесть работ, включая фундаментальные «Актино-электрические исследования». Установка получилась изящной. Столетов собрал конденсатор, где одной обкладкой служила металлическая сетка, а другой — цинковый диск. Через сетку он светил на диск дуговой лампой и измерял ток в цепи. Прибор вышел первым в мире фотоэлементом.
Результаты сложились в законы, которые сегодня учат в школе. Главный носит имя ученого: сила фототока насыщения прямо пропорциональна интенсивности падающего света. Столетов также выяснил, что эффект дает только коротковолновое излучение, и подступился к идее пороговой частоты — того, что позже назовут красной границей фотоэффекта. Отдельно он измерил инерционность тока и оценил задержку в тысячную долю секунды.
Объяснить, почему все устроено именно так, Столетов не мог. Электрон тогда еще не открыли, квантов не существовало даже в проекте. Зато он собрал точные количественные данные, на которые потом опирались и Ленард, и Эйнштейн.
Где фотоэффект используется сегодня
Столетовский фотоэлемент оказался прародителем целого семейства приборов. Сегодня без фотоэффекта не обходится ни одна область, где свет нужно превратить в сигнал.
- Солнечная энергетика. Панели работают на внутреннем фотоэффекте: свет выбивает электроны внутри полупроводника, и возникает ток.
- Камеры и сканеры. Матрицы смартфонов и фотоаппаратов, планшетные сканеры, считыватели штрихкодов — все переводят свет в электрический сигнал.
- Датчики и автоматика. Автоматические двери, турникеты, уличное освещение и детекторы дыма реагируют на прерывание светового луча.
- Наука и медицина. Фотоумножители ловят единичные фотоны в астрономии и физике частиц, приборы ночного видения усиливают слабый свет, а рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия определяет состав поверхности материалов.
Прибор, который Столетов собрал из сетки и цинкового диска, за сто с лишним лет разошелся по всему миру — от крыш с солнечными панелями до детекторов на ускорителях.
Ранее Наука Mail рассказала, как Дмитрий Менделеев в одиночку поднялся на аэростате наблюдать солнечное затмение.